Электрическое поле окружает человека повсеместно, как в производственных процессах, так и в повседневной жизни. Большинство людей даже не подразумевают, что в процессе своей жизнедеятельности сталкиваются с таким явлением, как вихревые токи. Эти токи могут оказывать как положительное, так и негативное влияние на жизнь человека, и нет однозначного ответа: больше от них пользы или вреда.

Jpg?x15027" alt="Французский физик Жанн Фуко, давший вразумительное объяснение вихревым потокам" width="600" height="450" srcset="" data-srcset="https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/1-fuko-600x450..jpg 768w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/1-fuko.jpg 824w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Французский физик Жанн Фуко, давший вразумительное объяснение вихревым потокам

Так, благодаря данному явлению функционируют индукционные электрические плиты и печи, либо свет включается при нажатии на кнопку. Но в тоже время под воздействием этих потоков теряется энергия в катушках и проводнике, и для ее сохранения приходится применять дополнительные технологические действия. Например, данная технология применима в трансформаторах. Его сердцевина (сердечник) состоит из большого количества мелких и плоских шихтовых пластин, которые прочно соединены друг с другом при помощи лака. Очень часто сердечник дополнительно обтянут шпилькой, основное предназначение которой снизить вихревые токи. В современном мире этот феномен стали называть токи Фуко.

История открытия

Первое понятие о вихревых потоках было упомянуто в 1824 году физиком французского происхождения Д.Ф. Арго (1786-1853), который проводил ряд экспериментов с намагниченной стрелкой, крутящейся над диском из меди. В определенный момент он заметил, что без какого-либо дополнительного воздействия диск начинал крутиться вместе со стрелкой. Точного объяснения данного феномена физик дать не смог, но оно получило наименование «явление Арго».

Спустя некоторое время, Максвелл Фарадей, рассматривавший вихревые токи с точки зрения постулата, основанного на знаниях об электромагнитной индукции, который он же и открыл, сделал заключение, что электрическое поле, исходящее от вращающейся стрелки, оказывает прямое воздействие на атомное строение диска из меди, что и способствует образованию направленного движения заряженных частиц. Электроток способствует образованию электромагнитного поля вокруг медного диска.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/2-vixrevie-toki-768x576..jpg 904w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Понятие вихревых токов

Более тщательно изучил, а также подробно описал в своих работах вихревые токи французский физик Жанн Фуко (1819-1868), впоследствии данное действие было названо в честь него и получило название актуальное в сегодняшние дни – токи Фуко. Эти токи схожи с индукционными токами, вырабатываемыми электрогенераторами. При наличии постоянного или временного магнитно-вихревого поля в непосредственной близости от проводника обязательно образуются токи Фуко: чем объемнее проводник, тем сильнее будет сила потоков тока.

Мощность вихревых токов

Периодические и непостоянные токи появляются в проводниках только в том случае, когда магнитное поле не одинаково и попеременно меняется в зависимости от силы вращения. Соответственно, сила вихревого потока прямо пропорционально связана с изменением магнитного поля вокруг проводника.

Токи Фуко функционируют немного по другому принципу. Они находятся непосредственно в самом проводнике, образуя замкнутые очертания, напрямую взаимодействуя с магнитным полем, послужившим их появлению. Изучая вихревые токи, русский физик Эмилий Христианович Ленц (1804-1865) пришел к выводу, что магнитное поле вихревых потоков не дает измениться магнитному полю, благодаря которому они зародились. Сила индукционного тока и вихревого потока движется по одному векторному направлению.

Варианты уменьшения силы вихревых потоков

Для увеличения КПД различных технических приборов требуется существенное уменьшение вихревых токов. Для этого требуется увеличение электрического сопротивления магнитопровода. Способ уменьшения вредного воздействия токов Фуко зависит напрямую от типа электрического оборудования.

Якорные сердечники машин с постоянным током и магнитные провода устройств с переменным током в процессе сборки тщательным образом изолируются друг от друга при помощи специальных пластин из штампованной листовой электротехнической стали, толщина которых может варьироваться от 0,1 до 0,5 мм, и «запекаются» специальными лаками или окалиной. Пластины при этом должны быть расположены параллельно магнитным потокам.

В процессе литья деталей сердечника в его состав добавляются специальные компоненты, к примеру, кремний, увеличивающие силу его электрического сопротивления.

В другом случае при сборке сердечников применяются куски железной проволоки, прошедшие специальную тепловую обработку, которые располагаются строго параллельно магнитному полю. Также дополнительно могут быть использованы специальные изолирующие прокладки.

При такой сборке сердечника сила вихревых потоков существенно снижается, а КПД увеличивается.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/3-podavlenie-1-768x576..jpg 900w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Уменьшение мощности вихревых потоков

В магнитных проводах устройств с высокой частотой работы для снижения силы вихревого потока провода тщательно изолируются друг от друга и располагаются в виде спирали (жгута), каждый из которых покрыт специальным изолирующим материалом. Такой метод изоляции получил название – лицендрат. Его применяют на сегодняшний день для снижения потоков Фуко.

В процессе передачи электрической энергии на дальние расстояния применяется особый многожильный кабель, где каждая жила изолирована отдельно, это существенно уменьшает потери электроэнергии, тем самым увеличивая производительность.

Применение токов Фуко

Многие ученные разных времен считали и считают, что негативного воздействия от вихревых потоков куда больше, чем позитивного. Но тем не менее, человечество научилось применять токи Фуко во благо в различных областях жизнедеятельности.

Наиболее широкое применение они получили в промышленной и машиностроительной сферах. Так, на основе этого явления удалось создать насос для перекачки и закалки расплавленных металлов, а в металлургической и промышленной отраслях используются индукционные печи, которые в несколько раз превосходят аналогичные системы, работающие по другому принципу. Плавление и закалка различных металлов возможны только с применением этого явления. Вихревые потоки способствуют торможению и снижению скорости вращения металлических дисков в индукционных тормозах, без этого бы просто не функционировали скоростные поезда на магнитных подвесках. Также без вихревых потоков Фуко не обходятся современные вычислительные приборы и аппараты, вакуумные устройства, где необходима полная откачка воздуха и других газов, принцип работы современных трансформаторов возможен только благодаря применению в их конструкции вихревых потоков. Более того, оборудование, работающее на основе токов Фуко, обладает существенной экономичностью и хорошей производительностью.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/4-induk-motor-768x432..jpg 900w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Индукционный мотор, работающий на вихревых потоках

Таким образом, такое действие, как токи Фуко, – полезное, легко объяснимое и довольно понятное явление на сегодняшний день, представляет собой вихревые потоки, которые возникают под воздействием электромагнитной индукции в металлическом, а также любом другом проводнике. Вихревые токи Фуко многие ученые современности относят к удивительным явлениям в электротехнике, которые современное общество научилось использовать с пользой для себя, при необходимости доводя их до нужной мощности, уменьшая при надобности и направляя полученную энергию в правильное русло. Жанн Фуко был умным и одаренным человеком, который, помимо объяснения феномена вихревых потоков, сделал немало других важных открытий, одним из них является нагревание металлических объектов, вертящихся в магнитном потоке благодаря воздействию вихревого тока. Он первым дал вразумительное и достаточно понятное объяснения данного факта.

Токи Фуко это токи, которые возникают в массивном проводнике, находящемся в переменном магнитном поле. Токи Фуко имеют вихревой характер. Если обычные индукционные токи движутся по тонкому замкнутому проводнику, то вихревые токи замыкаются внутри толщи массивного проводника. Хотя при этом они больше не чем не отличаются от обычных индукционных токов.

Токи Фуко замыкаются в толще проводника в виде круговых контуров маленьких вихрей. Величина этих токов тем выше, чем выше скорость изменения магнитного потока. Это может быть переменное магнитное поле либо сам массивный проводник может, двигается в неизменном магнитном поле.

Направление токов Фуко определяется по правилу Ленца также как и направление обычных токов возникших вследствие электромагнитной индукции. Они всегда направлены встречно потоку, вызвавшему их, и стремятся ему противодействовать.

Можно провести такой эксперимент. Создать постоянный магнитный поток. Например, между двумя постоянными магнитами. И вносить в поле между ними медную или алюминиевую пластину. Будет видно, что пластина движется с усилием. Поскольку в ней при движении возникают токи Фуко, которые взаимодействуют с полем магнитов. Поскольку поле этих токов будет направлено встречно внешнему полю, то они будут отталкиваться друг от друга. Рекомендуется брать именно медную или алюминиевую пластины, так как у этих материалов мало удельное сопротивление. Следовательно сила тока в них будет большей и эффект проявится более явно.

Рисунок 1 — схема опыта

Такое проявление вихревых токов используется в технике. Например, в асинхронном электродвигателе. Статор, которого создает вращающееся магнитное поле. А ротор выполнен в виде массивной болванки. В результате, когда вокруг болванки начинает вращаться магнитное поле, она как бы цепляется за него и тоже начинает вращаться вслед за ним.

Поскольку сопротивление проводника, конечно, то токи, текущие в его толще приводят к нагреву проводника. Это явление используется для плавки металлов в металлургии. Металл помещают в тигель вокруг которого находится индуктор, по которому пропускают переменный ток большой силы. Магнитное поле, которое возникает в контуре, пронизывает металл, который в свою очередь плавится.

Но кроме полезного тепла при плавке токи Фуко приносят и вред в других электрических машинах. Например, в трансформаторах или электродвигателях. В которых энергия магнитного поля не должна расходоваться на тепло. Для борьбы с вихревыми токами ферромагнитные сердечники выполняют шихтованными, то есть набирают из тонких пластин изолированных между собой. При этом магнитный поток должен быть направлен перпендикулярно плоскости пластин. Таким образом, минимизируются потери энергии на нагрев.

Индукционные токи могут возбуждаться и в сплошных массивных проводниках. В этом случае их называют токами Фуко или вихревыми токами. Электрическое сопротивление массивного проводника мало, поэтому токи Фуко могут достигать очень большой силы.

В соответствии с правилом Ленца токи Фуко выбирают внутри проводника такие пути и направления, чтобы своим действием возможно сильнее противиться причине, которая их вызывает. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, обусловленное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Этим пользуются для демпфирования (успокоения) подвижных частей гальванометров, сейсмографов и других приборов. На подвижной части прибора укрепляется проводящая (например, алюминиевая) пластинка в виде сектора (рис. 63.1), которая вводится в зазор между полюсами сильного постоянного магнита. При движении пластинки в ней возникают токи Фуко, вызывающие торможение системы. Преимущество такого устройства состоит в том, что торможение возникает лишь при движении пластинки и исчезает, когда пластинка неподвижна.

Поэтому электромагнитный успокоитель совершенно не препятствует точному приходу системы в положение равновесия.

Тепловое действие токов Фуко используется в индукционных печах. Такая печь представляет собой катушку, питаемую высокочастотным током большой силы. Если поместить внутрь катушки проводящее тело, в нем возникнут интенсивные вихревые токи, которые могут разогреть тело до плавления. Таким способом осуществляют плавление металлов в вакууме, что позволяет получать материалы исключительно высокой чистоты.

С помощью токов Фуко осуществляется также прогрев внутренних металлических частей вакуумных установок для их обезгаживания.

Во многих случаях токи Фуко бывают нежелательными, и приходится принимать для борьбы с ними специальные меры. Так, например, чтобы предотвратить потери энергии на нагревание токами Фуко сердечников трансформаторов, эти сердечники набирают из тонких пластин, разделенных изолирующими прослойками. Пластины располагаются так, чтобы возможные направления токов Фуко были к ним перпендикулярными. Появление ферритов (полупроводниковых магнитных материалов с большим электрическим сопротивлением) сделало возможным изготовление сердечников сплошными.

Токи Фуко, возникающие в проводах; по которым текут переменные токи, направлены так, что ослабляют ток внутри провода и усиливают вблизи поверхности. В результате быстропеременный ток оказывается распределенным по сечению провода неравномерно - он как бы вытесняется на поверхность проводника. Это явление называется скин-эффектом (от английского skin - кожа) или поверхностным эффектом. Из-за скин-эффекта внутренняя часть проводников в высокочастотных цепях оказывается бесполезной. Поэтому в высокочастотных цепях применяют проводники в виде трубок.

Токами Фуко (или вихревыми токами) называют токи, имеющие индукционную природу, которые появляются в массивных проводниках в переменном магнитном поле. Замкнутые цепи вихревых токов появляются в глубине самого проводника. Электросопротивление массивного проводника невелико, следовательно, токи Фуко могут достигнуть большого значения. Сила вихревых токов зависит от формы и свойств материала проводника, направления переменного магнитного поля, скорости, с которой изменяется магнитный поток. Распределение токов Фуко в проводнике может быть очень сложным.

Количество тепла, которое выделяется за $1 с$ токами Фуко пропорционально квадрату частоты изменения магнитного поля.

По закону Ленца, токи Фуко выбирают такие направления, чтобы своим воздействовать причину, которая их вызывает. Значит, если проводник движется в магнитном поле, то он должен испытывать сильное торможение, которое вызвано взаимодействием токов Фуко и магнитного поля.

Приведем пример возникновения оков Фуко. Медный диск диаметром $5 см$, толщиной $6 мм$ заставим падать в узком зазоре между полюсами электромагнита. Если магнитное поле отключено, диск быстро падает. Включим электромагнит. Поле должно быть большим (порядка $0,5Тл$). Падение диска станет медленным и будет напоминать движение в очень вязкой среде.

Применение токов Фуко

Токи Фуко играют полезную роль в роторе асинхронного двигателя, который приводится во вращательное движение магнитным полем. Сама реализация принципа работы асинхронного двигателя требует появления токов Фуко.

Токи Фуко используют при демпфировании подвижных частей гальванометров, сейсмографов и ряда других приборов. Так, на подвижную часть прибора устанавливают пластинку - проводник в виде сектора. Она вводится в промежуток между полюсами сильного постоянного магнита. Когда пластинка движется, в ней появляются токи Фуко, это вызывает торможение системы. Причем торможение появляется только тогда, когда пластинка движется. Следовательно, подобного рода успокаивающее устройство не мешает точному приходу системы в состояние равновесия.

Теплоту, которая выделяется токами Фуко, используют в процессах разогрева. Так, плавка металлов с использованием токов Фуко является весьма выгодной в сравнении с другими методами разогрева. Так называемая индукционная печь представляет собой катушку, по которой идет ток высокой частоты и большой силы. Внутрь катушки помещают проводящее тело, в нем появляются вихревые токи большой интенсивности, которые и разогревают вещество до плавления. Так проводят плавление металлов в вакууме, что ведет к получению материалов высокой чистоты.

При использовании токов Фуко проводят прогрев внутренних металлических частей вакуумных установок с целью их обезгаживания.

Проблемы, которые вызывают вихревые токи. Скин - эффект

Токи Фуко могут играть не только полезную роль. Вихревые токи являются токами проводимости, и часть энергии рассеивают на выделение джоулевой теплоты. Такая энергия, например, в роторе асинхронного двигателя, который изготавливается, обычно из ферромагнетиков, нагревает сердечники, тем самым ухудшаются их характеристики. Для борьбы с таким явлением сердечники производят в виде тонких пластин, которые отделяются тонкими слоями изолятора и устанавливают пластины так, чтобы токи Фуко имели направление поперек пластин. При небольшой толщине пластин вихревые токи имеют малую объемную плотность. С появлением ферритов и веществ с большим магнитосопротивлением стало возможным изготовление сердечников сплошными.

Вихревые токи возникают в проводах, в которых текут переменные токи, причем направление токов Фуко таково, что они ослабляют ток внутри провода и усиливают его около поверхности. Следовательно, быстро изменяющийся ток распределен по сечению провода неравномерно. Такое явление называется скин - эффектом (поверхностным эффектом). Из-за этого явления внутренняя часть проводника становится бесполезной и в цепях с большой частотой используют трубки в качестве проводников. Скин - эффект может применяться для разогрева поверхностного слоя металла, что позволяет использовать это явление для закалки металла, причем, изменяя частоту поля, можно проводить закалку на любой необходимой глубине.

Приближенные формулы, которыми можно описать скин-эффект в однородном цилиндрическом проводнике:

Рисунок 1.

где $R_w$ - эффективное сопротивление проводника радиусом $r$ переменному току с циклической частотой $w$. $R_0$ - сопротивление проводника постоянному току.

где эффективная глубина проникновения переменного тока ($\delta $) (расстояние от поверхности проводника, на котором плотность тока уменьшается в $e=2,7\ $раз в сравнении с плотностью на его поверхности) равна:

$\mu $ - относительная магнитная проницаемость, ${\mu }_0$ - магнитная постоянная, $\sigma $ - удельная электропроводность проводника для постоянного тока. Чем толще проводник, тем существеннее скин - эффект, тем меньше величины $w$ и $\sigma $, при которых его следует учесть.

Пример 1

Задание: В опыте с центробежной машиной к ней прикрепили массивный медный диск, привели этот диск во вращение с большой скоростью. Над диском подвесили (без соприкосновения) магнитную стрелку. Что будет происходить со стрелкой, почему?

Решение:

Магнитная стрелка выступает в роли магнита, который создает магнитное поле, в этом поле вращается медный проводник. Следовательно, в проводнике возникают индукционные токи - токи Фуко. По правилу Ленца вихревые токи, взаимодействуя с магнитным полем, стремятся остановить вращение диска или в соответствии с третьим законом Ньютона увлечь за собой магнитную стрелку. Значит, магнитная стрелка, которая висит над диском, будет поворачиваться вслед за ним и закрутит подвес (нить).

Ответ: Магнитная стрелка будет вращаться, причина - вихревые токи.

Пример 2

Задание: Объясните, почему подземный кабель, по которому передается переменный ток нельзя прокладывать вблизи от металлических газовых и водопроводных труб?

Решение:

Под действием переменного тока вокруг кабеля возникает переменное магнитное поле, если в это поле попадает проводник (металлическая труба), то возникнут индукционные вихревые токи. Эти токи вызывают коррозию металлических труб. Кроме того наличие токов в трубах опасно, так как возникает возможность поражения током.

Пример 3

Задание: Маятник, изготовленный из толстой листовой меди, имеет форму усеченного сектора. Он подвешен на стержне и может совершать свободные колебания вокруг горизонтальной оси в магнитном поле между полюсами сильного электромагнита. В отсутствии магнитного поля маятник совершает колебания практически без затухания. Опишите колебания маятника в магнитном поле электромагнита. Как заставить маятник колебаться почти без затухания в присутствии магнитного поля?

Решение:

Если описанный массивный маятник, осуществляющий колебания, поместить в сильное магнитное поле, то в маятнике возникают токи Фуко. Эти токи по правилу Ленца тормозят движения маятника, амплитуда колебаний уменьшается, и сами колебания скоро прекращаются.

Для того чтобы уменьшить вихревые индукционные токи в маятнике, осуществляющем колебания в магнитном поле, можно его сплошной сектор заменить гребенкой с удлинёнными зубцами. Токи Фуко будут уменьшены, и маятник будет совершать колебания практически без затухания.

До сих пор мы рассматривали индукционные токи в линейных проводниках. Но индукционные токи будут возникать и в толще сплошных проводников при изменении в них потока вектора магнитной индукции . Они будут циркулировать в веществе проводника (напомним, что линии – замкнуты). Так как электрическое поле вихревое, то и токи называются вихревыми токами, или токами Фуко .

Если медную пластину отклонить от положения равновесия и отпустить так, чтобы она вошла со скоростью υ в пространство между полосами магнита, то пластина практически остановится в момент ее вхождения в магнитное поле (рис. 3.8).

Рис. 3.8 Рис. 3.9

Замедление движения связано с возбуждением в пластине вихревых токов, препятствующих изменению потока вектора магнитной индукции. Поскольку пластина обладает конечным сопротивлением, токи индукции постепенно затухают и пластина медленно двигается в магнитном поле. Если электромагнит отключить, то медная пластина будет совершать обычные колебания, характерные для маятника.

Сила и расположение вихревых токов очень чувствительны к форме пластины. Если заменить сплошную медную пластину «гребенкой» – медной пластиной с пропилами, то вихревые токи в каждой части пластины возбуждаются меньшими потоками. Индукционные токи уменьшаются, уменьшается и торможение (рис. 3.9). Маятник в виде гребенки колеблется в магнитном поле почти без сопротивления. Этим опытом объясняется, почему сердечники электромагнитов, трансформаторов делают не из сплошного куска железа, а набранными из тонких пластин, изолированных друг от друга. В результате уменьшаются токи Фуко и выделяемое ими тепло.

Если взять медный диск диаметром » 5 см и толщиной » 5 мм и уронить его между полюсами электромагнита, то при выключенном магните диск падает с обычным ускорением. При включении магнитного поля » 1 Тл падение диска резко замедляется и его движение напоминает падение тела в очень вязкой среде.

Тормозящее действие тока Фуко используется для создания магнитных успокоителей – демпферов. Если под качающейся в горизонтальной плоскости магнитной стрелкой расположить массивную медную пластину, то возбуждаемые в медной пластине токи Фуко будут тормозить колебание стрелки. Магнитные успокоители такого рода используются в сейсмографах, гальванометрах и других приборах.

Токи Фуко применяются в электрометаллургии для плавки металлов. Металл помещают в переменное магнитное поле, создаваемое током частотой 500 – 2000 Гц. В результате индуктивного разогрева металл плавится, а тигль, в котором он находится, при этом остается холодным. Например, при подведенной мощности 600 кВт тонна металла плавится за 40–50 минут.